应用混凝土技术提高低密度水泥性能.pdf
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1、 9 一 z 应 用 蓑 銮 高 一r一 7 , 密 度 水 泥 性 能 , , I77 - 卜 I 。 百 低破裂压力 地层 或漏失 地 层 的套管 注 水 泥需要 低密度水 泥浆 以减 少水泥浆 的液 柱压 力。这种 低密度水 泥浆 不 仅要在 注水 泥 过程 中而 且 在 水 泥 凝 固 后 也 表 现 出 较 好 的 性 能 。 然而传统低 密度水泥通常都导 致低 抗压强度 、 高孔隙度和 高渗透 率 ,从 而 限制 了其 应 用范 围。不可否认 的事 实是 目前 低破 裂梯 度地 层 完井时水 泥石 在射 L 前 的抗压 强度 都达不 到 要 求( 1 4 MP a是 石 油行 业
2、最 低标 准 ) 。低 密 度水 泥浆 由于不 与 下 部地 层 流 体 发 生 交换 , 应用于 注水泥 塞有 时具有 一定 的 优势 ,但 要 达到很高 的早期强度也是非常 困难 的 一 种新 的低 密度 水泥浆 设计 方 法可 消 除 由水泥浆密 度 低而带 来的 负面 影响 。在 民用 工程 中,最新 发 现的颗 粒堆 积原 理是优 化 粒 状干 混物 得到优异性 能混凝 土的关键 。 粒状 干混物 的堆积 比例越 高 ,由此得 到 的混合物 的 性能越 好。干混 合晟 太堆 积 的原 理 已被应 用到设计 高性 能的低密度油井水泥。 干混 物的选 择是直 接或 间接影 响水泥浆 及凝
3、 固水 泥性 能 的 关键 因索 。利 用 这一 新技 术 , 可 以设计密 度范 围在 1 2 51 5 5 g c r n 3范 围 内低 密 度 水 泥 浆 ,并 且 有 很 高 的早 期 强 度 2 4小 时强 度超过 1 4 MP a( 1 2 5 g e ra 3 )和 2 8 MP a( 1 4 g c m 3 ) ,较低的渗透率 ( 小于 1 0毫达西)和较低 的孔隙度( 2 0 ) 。 本文分两 部分 第 一 部分论 述这 新技 术并 介绍 不 同水 泥浆和 水泥 石性能 的实 验数 据 。第 二部分列 举该新技术 应用的典型事例 , 证实应 用这 项 技术 所带来 的好 处
4、 ,如简 化水 泥浆设计 ,减 少 钻 机 等 待 和水 泥候 凝 时 间 , 在低破裂压力完井 中免 去补挤水 泥。 堆积 技术 在混凝 土行 业 ,颗 粒 堆积 原理 是 优 化粒 状 混合 物 以得 到优异 性能 的胶 结材料 的关键 性概 念 通 常高性 能 的混凝 土 混合 含有 一定 数量的颗粒级 别 ,每 个级 别的 粒径 范 围都很 窄 ,在两个连 续的粒 径级 别 之 问,平均 直 径 ( d s o )应 占很高的 比例 。 干混物 的 堆积 体积 百分 比( P VF)是 衡 量颗粒之 问达到给定 密实状态时的相容能力 。 将干粉混 台物充 满 一个 容器 中 ,将 容器
5、体 积 被干 粉 实 际 占有 容 器 中 的 体 积 除便 可 测 出 P vF。P VF就是 体积密 度 ( 堆积 后)与 比重 的比值。完全 一样( 单 分 散相 )的球 形颗 粒 泽 校 B 眦 等 维普资讯 国9 h 钻井技术 第 1 4卷1 9 9 9年第 6 期 最完美 的堆积 方式是 正六角形 堆积 ,其 P VF 可 达到 0 7 4 同一种球 形颗粒之 间任意 堆积 的 P vF是 0 6 4 。 当干 粉粒 子具 有 不 同 尺寸 ( 多分 散相 )时 ,P VF值越 高 因为小 尺寸 粒 子 可 以 充 填 大 粒 子 之 间 的 空 隙 , 从 而 使 P vF接近
6、于 1 ,这种 P VF最大化原 理可 以用 于 设 计 高 性 能 的低 密 度 油 井水 泥 对于粒状物 ,计算 P vF时应 考虑 粒度分 布( P S I ) )和颗 粒形 状。假 定粒 子 形 状 都是 球形 ,则可从 任何 种类不 同的粉状 混合 物或 特殊 的 粉状 物 的 P S D 建 立 P vF计 算 模 型 这个 模 型 能 准确 快 速 地 给 出混 合物 的 最 大 P VF并确 定混 合 物 中各 种组 份 的 比例 关 系。 混合物 的 P VF越高 ,则 悬浮液的性 能越好 。 室温 下水 泥 浆 的密 度 ( 单 位 :l b t x t g a 1 )可
7、由下 式 表 达 : D s= I S Gb l ( 1一P)+P 8 3 3 ( 1 ) 水 泥浆 密度同时是 周相 比重( S G)和水 泥浆孔 隙度( P)的 函 数 固相 实 际就 是 干 混物 ,孔 隙度 就是液 相体 积 被液相 与 固相体 积 之 和 相 除 这项技术 最主要 的变化 之 一是 干混 物 的 比重在给定 的孔 隙度条件 下 由预 期所 需 的水 泥浆密 度推 导出来。 S G = ( 8 3 3 ) 一P 1一P ( 2 ) 第一步 是选择 合适 的给定 比重 的f混物 并且 有最 优 的颗 粒 匹 配 以得 到最 大 的 P VF。 这种 优 化意 味 着 P
8、VF高达 O 8 7 为达 到合 适的 比重和满 足适 当的粒 度分 布 ,下 列材 料 可以选择 :油井 水泥 ,硅 粉( 井底静 止 温度 超 过 1 1 0 时) ,以及 尺寸合 适 的轻质 矿物 。 优化后 的干混物的 比重 范围 一般在 1 5 5 ( 水 泥浆密度 1 2 5 g c m )到 1 9 5 ( 水 泥 浆 密度 1 5 0 g c m3 ) 因 为干混物 的粒 度 分布 经过 优 化 ,形成 的水泥 浆需水 量减 少 ,最 优 化 的水 泥浆孔隙度范围在 O 4到 0 5之 间。 悬浮液 的流 变性能 取决 于颗粒 的堆积 状 况 。P VF最大 化的干混物 能使需
9、 水量减少 的 水泥浆表 现出 易混性 和合 适 的塑性 粘度 这 种 水泥浆 同时 也能表 现出 良好的稳定 性 以及 在低温 3 8 条件下很短 的稠 化时 间( 该 技术 的温度 上 限 是 2 0 7 ) :干混 物 一 旦被 优 化 , 就 可 象 通 常 没计 传 统 的 低 密 度 水 泥 浆 一 样 设 计水 泥浆 如果需 要 ,通过 添加 分 散剂 、缓 凝 剂或速凝 剂 及降失水 剂把 水泥浆 的分 散 性 、稠化时 间 及 失水 量控制 在需 要 的水 平 上 。同体外加 剂的 浓度 以 占十混物 重 量百分 比 ( B w( ) B) 来表 ,而 液体 外 加 剂的裱
10、度 以每袋( 1 0 0 1 b )的加 仑数来表 达 凝 固后 的水 泥性 能 当水 泥浆 凝 固后 ,这 些 经 优 化 的水 泥 浆 显 示出与传 统 的密度 1 9 0 g c a n 的原浆 柑似 的 甚至 更好 的力 学性 能 1 收缩性用 密度 1 9 0 g c m 的原浆 与 优化 的低 密度水 泥 浆进行 体积 收缩 对 比。实 验过 程采 用薄膜方 法( 在无 应力 和渗透条件 、 室 温 和大 气压 环境 下 实 验 ) 。 5天 后 的试 验 结 果显示 低 密 度 水 泥 浆 的 体 积 收缩 率( 小 于 1 )与原浆( 4 -4 5 )对 比要小 的多 。 2
11、抗 压强 度用哈里伯 顿超声 波水泥 强 度分析 仪 在 施 加 2 l MP a条 件 下 测量 抗 压 强 度。为了对 应井底 静止 温度 与水 泥环 上部静 止温 度之间的 巨大 差异 ,实验 在井 底循 环温 度( B HC T)下 运行 ,因为 要 考 虑 到水 泥封 固段较 长或者地 温梯度 较高 或两者 都存在 的 情况 。表 l列 出 了实 验结 果 ,证 明这些 优 化 的水 泥体系 的 早期 强度 发展 非常迅 速。表 中 显示 ,强 度 从 5 0 p s i 到 5 0 0 p s i 之 间过渡 时 间 相 对 比较短 ,这 一特点 可缩 短 侯凝 时间 。当 强度增
12、加到一个平稳阶段时 ,增长过程变慢 , 但抗压强度仍 持续 增长 这 些体 系 的最终 强 度都很 高( 2 4小 时后 ) ,1 2 5 g c m3水 泥 浆 的抗压 强度 超 过 l 7 3 MP a ,密度 1 3 0 g c m 的抗压强 良在 2 1 MPa以上。 3 拉 伸强度数字模 拟显示评 价水 泥环 在环 空 中的力学整 体性 的主要 参数 是拉伸 强 度( T)与杨 氏弹 性模量( E)之 间 的 比值 维普资讯 6 l 比值越 高 ,性能越好 为评价 高性 能低 密 表 1 优化低 密度水泥 浆的典型 性能 密度( g c m3 ) 1 2 5 1 3 2 1 4 3
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